CNC(Computer Numerical Control)란 무엇인가? - 사용자 가이드
개념
NC(수치제어)
NC는 디지털 신호를 사용하여 자동으로 객체(예: 공작 기계의 움직임과 작업 과정)를 제어하는 기술로, 수치 제어라고 합니다.
NC기술
NC 기술은 숫자, 문자, 기호를 사용해 특정 작업 프로세스를 프로그래밍하는 자동 제어 기술을 말합니다.
NC 시스템
NC 시스템은 NC 기술의 기능을 실현하는 소프트웨어와 하드웨어 모듈의 유기적 통합 시스템을 말합니다. NC 기술의 운반체입니다.
CNC 시스템(Computer Numerical Control System)
CNC(Computer Numerical Control) 시스템은 컴퓨터를 핵심으로 하는 수치 제어 시스템을 말합니다.
CNC 기계
CNC 기계는 컴퓨터 수치 제어 기술을 사용하여 가공 공정을 제어하는 공작 기계 또는 컴퓨터 수치 제어 시스템이 장착된 공작 기계를 말합니다.
NC 정의
수치 제어는 공작 기계용 NC의 전체 형태입니다. 수치 제어(NC)를 사용하면 작업자가 숫자와 기호를 통해 공작 기계와 통신할 수 있습니다.
CNC 정의
CNC는 Computer Numerical Control의 약자로, 현대 제조 공정에서 CAD/CAM 소프트웨어로 자동 가공을 완료하기 위해 공작 기계를 제어하는 자동 기술입니다. CNC가 장착된 새로운 공작 기계 덕분에 산업은 몇 년 전만 해도 상상도 못했던 정확도로 부품을 지속적으로 생산할 수 있게 되었습니다. 프로그램이 적절하게 준비되고 컴퓨터가 적절하게 프로그래밍된 경우 동일한 부품을 동일한 정확도로 여러 번 재생할 수 있습니다. 공작 기계를 제어하는 작동 G-코드 명령은 고속, 정확도, 효율성 및 반복성을 갖추고 자동으로 실행됩니다.
CNC 가공 컴퓨터화된 제조 공정으로, 기계가 컴퓨터에 연결되어 있고, 컴퓨터가 어디로 이동해야 하는지 알려줍니다. 먼저 작업자가 툴패스를 생성해야 하며, 작업자는 소프트웨어 프로그램을 사용하여 모양을 그리고 기계가 따라갈 툴패스를 생성합니다.
산업에서 사용이 계속 증가함에 따라 공작 기계가 필요한 모양과 정확도로 부품을 생산하도록 안내하는 프로그램을 준비할 수 있는 지식이 있고 이를 잘 아는 인력에 대한 필요성이 생겨났습니다. 이를 염두에 두고 저자는 CNC의 신비를 풀어내고 논리적 순서로 정리하여 모든 사람이 이해할 수 있는 간단한 언어로 표현하기 위해 이 교과서를 준비했습니다. 프로그램 준비는 사용자를 안내하는 실제 예와 함께 논리적인 단계별 절차로 설명됩니다.
구성 요소
CNC 기술은 베드 프레임, 시스템, 주변 기술의 3가지 부분으로 구성됩니다.
프레임 키트는 주로 베드, 컬럼, 가이드 레일, 작업 테이블과 툴 홀더, 툴 매거진과 같은 기타 지지 부품과 같은 기본 부품으로 구성됩니다.
수치 제어 시스템은 입출력 장비, 컴퓨터 수치 제어 장치, 프로그래머블 로직 제어(PLC), 스핀들 서보 드라이브 장치, 피드 서보 드라이브 장치 및 측정 장치로 구성됩니다. 이 중 이 장치는 수치 제어 시스템의 핵심입니다.
주변기술은 주로 도구기술(도구시스템), 프로그래밍기술, 관리기술 등을 포함한다.
용어사전
CNC: 컴퓨터 수치 제어.
G- 코드: 기계가 이동할 축 지점을 지정하는 범용 수치 제어(NC) 공작 기계 언어입니다.
CAD: 컴퓨터 지원 설계.
CAM: 컴퓨터 지원 제조.
그리드: 스핀들의 최소 이동 또는 피드. 버튼이 연속 또는 단계 모드로 토글되면 스핀들이 자동으로 다음 그리드 위치로 이동합니다.
PLT (HPGL): CAD 파일에서 지원하는 벡터 기반 선 도면을 인쇄하기 위한 표준 언어입니다.
도구 경로: 커터가 작업물을 가공하기 위해 따르는 사용자 정의, 코드화된 경로. "포켓" 툴패스는 작업물의 표면을 절단하고, "프로파일" 또는 "윤곽" 툴패스는 작업물 모양을 분리하기 위해 완전히 절단합니다.
내려오다: 절삭 공구가 재료에 들어가는 Z축 거리.
스텝 오버: 절삭 공구가 절단되지 않은 재료와 결합되는 X 또는 Y 축의 최대 거리입니다.
스테퍼 모터: 특정 순서로 신호 또는 "펄스"를 수신하여 개별 단계로 움직이는 DC 모터로, 매우 정밀한 위치 및 속도 제어가 가능합니다.
스핀들 회전 속도: 절삭공구의 회전속도(RPM).
기존 컷: 커터가 공급 방향과 반대로 회전합니다. 최소한의 떨림이 발생하지만 특정 목재에서는 찢어짐이 발생할 수 있습니다.
뺄셈법: 비트는 재료를 제거하여 모양을 만듭니다. (가산법의 반대)
이송 속도: 절삭 공구가 작업물을 통과하는 속도.
홈 위치(머신 제로): 물리적 한계 스위치에 의해 결정되는 기계 지정 영점. (작업물을 처리할 때 실제 작업 원점을 식별하지 않습니다.)
클라임 컷: 커터는 공급 방향으로 회전합니다. 클라이밍 커팅은 찢어짐을 방지하지만 직선 플루트 비트로 인해 덜거덕거리는 자국이 생길 수 있습니다. 나선형 플루트 비트는 덜거덕거리는 자국을 줄여줍니다.
작업 원점(Work Zero): 헤드가 모든 절단을 수행할 작업물에 대한 사용자 지정 영점. X, Y 및 Z 축은 영점으로 설정됩니다.
LCD: 액정 디스플레이(컨트롤러에 사용됨)
U 디스크: USB 인터페이스에 삽입하는 외부 데이터 저장 장치.
기능
높은 정확도
CNC 기계는 정밀 기계와 자동 제어 시스템으로 구성된 고도로 통합된 메카트로닉스 제품입니다. 높은 위치 정확도와 반복 위치 정확도를 가지고 있습니다. 전달 시스템과 구조는 오류를 줄이기 위해 높은 강성과 안정성을 가지고 있습니다. 따라서 컴퓨터화된 수치 제어 기계는 가공 정확도가 더 높고, 특히 동일한 배치에서 부품 제조의 일관성이 있으며, 제품 품질이 안정적이고 통과율이 높으며 일반적인 공작 기계와 비교할 수 없습니다.
고효율
CNC 기계는 더 많은 양의 절삭을 사용할 수 있어 가공 시간을 효과적으로 절약할 수 있습니다. 또한 자동 속도 변경, 자동 공구 변경 및 기타 자동 작동 기능이 있어 보조 시간을 크게 단축하고 안정적인 가공 프로세스가 형성되면 프로세스 간 검사 및 측정을 수행할 필요가 없습니다. 따라서 컴퓨터 수치 제어 가공의 생산성은 일반 공작 기계보다 3~4배 높거나 그 이상입니다.
높은 적응성
CNC 머신은 가공된 부품의 프로그램에 따라 자동 가공을 수행합니다. 가공 대상이 변경될 때, 프로그램만 변경되면 마스터 및 템플릿과 같은 특수 공정 장비를 사용할 필요가 없습니다. 이는 생산 준비 주기를 단축하고 제품 교체를 촉진하는 데 도움이 됩니다.
높은 가공성
복잡한 곡선과 곡면으로 형성된 일부 기계 부품은 가공이 어렵거나 기존 기술과 수작업으로는 완성이 불가능한 경우도 있지만, 다중 좌표축 연결을 사용하는 CNC 기계로 쉽게 구현할 수 있습니다.
높은 경제적 가치
CNC 가공 센터는 대부분 공정 집중을 사용하고, 하나의 기계는 다목적입니다. 하나의 클램핑의 경우, 대부분의 부품을 가공할 수 있습니다. 그들은 여러 개의 일반 공작 기계를 대체할 수 있습니다. 이것은 클램핑 오류를 줄이고, 공정 간 운송, 측정 및 클램핑 사이의 보조 시간을 절약할 뿐만 아니라 공작 기계의 유형을 줄이고, 공간을 절약하고, 더 높은 경제적 이익을 가져올 수 있습니다.
찬반 양론
장점
안전
CNC 기계의 작업자는 특수 보호 구조로 모든 날카로운 부분과 안전하게 분리됩니다. 그는 여전히 유리를 통해 기계에서 무슨 일이 일어나고 있는지 볼 수 있지만, 밀이나 스핀들에 가까이 갈 필요는 없습니다. 작업자는 또한 냉각수를 만질 필요가 없습니다. 재료에 따라 일부 액체는 인체 피부에 해로울 수 있습니다.
노동비 절감
오늘날, 기존의 공작 기계는 끊임없는 주의가 필요합니다. 즉, 각 작업자는 한 대의 기계에서만 작업할 수 있습니다. CNC 시대가 도래하면서 상황은 극적으로 바뀌었습니다. 대부분의 부품은 설치될 때마다 처리하는 데 최소 30분이 걸립니다. 하지만 컴퓨터 수치 제어 기계는 부품을 직접 절단하여 처리합니다. 아무것도 만질 필요가 없습니다. 공구가 자동으로 움직이고 작업자는 프로그램이나 설정의 오류를 확인하기만 하면 됩니다. 그렇긴 하지만 CNC 작업자는 자유 시간이 많다는 것을 알게 됩니다. 이 시간을 다른 기계에 사용할 수 있습니다. 따라서 한 명의 작업자, 여러 대의 공작 기계. 즉, 인력을 절약할 수 있습니다.
최소 설정 오류
전통적인 공작 기계는 작업자의 측정 도구에 대한 능숙성에 의존하며, 우수한 작업자는 부품이 높은 정밀도로 조립되도록 보장할 수 있습니다. 많은 CNC 시스템은 특수 좌표 측정 프로브를 사용합니다. 일반적으로 스핀들에 도구로 장착되고 고정된 부분은 프로브로 터치하여 위치를 결정합니다. 그런 다음 좌표계의 영점을 결정하여 설정 오류를 최소화합니다.
우수한 기계 상태 모니터링
작업자는 가공 오류와 절삭 공구를 식별해야 하며, 그의 결정은 최적이 아닐 수 있습니다. 최신 CNC 가공 센터에는 다양한 센서가 들어 있습니다. 공작물을 가공하는 동안 토크, 온도, 공구 수명 및 기타 요소를 모니터링할 수 있습니다. 이 정보를 기반으로 실시간으로 프로세스를 정제할 수 있습니다. 예를 들어 온도가 너무 높은 것을 알 수 있습니다. 더 높은 온도는 공구 마모, 금속 특성 저하 등을 의미합니다. 이를 수정하기 위해 공급을 줄이거나 냉각수 압력을 높일 수 있습니다. 많은 사람들이 말하는 것과 달리 가공은 오늘날 가장 널리 퍼진 제조 방법입니다. 모든 산업에서 어느 정도 가공을 사용합니다.
안정적인 정확도
입증된 컴퓨터 프로그램보다 더 안정적인 것은 무엇일까요? 계측기의 움직임은 항상 동일합니다. 정확도는 스테퍼 모터의 정확도에만 의존하기 때문입니다.
테스트 실행 횟수 감소
전통적인 가공에는 불가피하게 일부 테스트 부품이 있습니다. 작업자는 기술에 익숙해져야 하며, 1차 부품을 만들고 새로운 기술을 테스트할 때 확실히 무언가를 놓칠 것입니다. CNC 시스템은 테스트 실행을 피할 수 있는 방법이 있습니다. 모든 도구가 통과한 후 작업자가 실제로 재고를 볼 수 있도록 하는 시각화 시스템을 사용합니다.
복잡한 표면의 쉬운 가공
복잡한 표면을 고정밀로 제조하는 것은 기존 가공으로는 거의 불가능합니다. 많은 육체 노동이 필요합니다. CAM 시스템은 모든 표면에 대한 툴패스를 자동으로 형성할 수 있습니다. 전혀 노력할 필요가 없습니다. 이것은 현대 CNC 가공 기술의 가장 큰 장점 중 하나입니다.
더 높은 절삭 데이터
고속 가공은 폐쇄된 절삭 영역으로 인해 가능합니다. 이 속도에서 칩은 고속으로 사방으로 날아갑니다. 칩 뒤에 냉각수 스프레이가 있는데, 고속 가공의 경우 냉각수가 고압으로 적용되기 때문입니다. 속도가 10000rpm 이상에 도달하면 수동 조작이 불가능합니다. 고속 절삭 속도에서는 진동을 방지하기 위해 이송 속도와 칩 폭을 안정적으로 유지하는 것이 중요합니다. 수동으로 하는 것이 어려울 리가 없습니다.
더 높은 유연성
전통적인 방법은 홈이나 플랫을 위한 밀링 머신, 실린더와 테이퍼를 위한 선반, 그리고 구멍을 위한 드릴링 머신입니다. CNC 가공은 위의 모든 것을 하나의 기계 도구로 결합할 수 있습니다. 도구 궤적을 프로그래밍할 수 있으므로 모든 기계에서 모든 동작을 복제할 수 있습니다. 따라서 원통형 부품을 만들 수 있는 밀링 센터와 홈을 밀링할 수 있는 선반이 있습니다. 이 모든 것이 부품의 설정을 줄입니다.
단점
작업자와 기계 유지관리 인력에 대한 높은 기술적 요구사항
컴퓨터 수치 제어 시스템은 제어하기 쉽지 않고 일반 공작 기계만큼 직관적이지 않습니다.
공작기계의 구매비용이 더 비쌉니다.
어플리케이션
전 세계 CNC 기술과 장비 응용 분야의 관점에서 볼 때 주요 응용 분야는 다음과 같습니다.
제조업
기계 제조 산업은 컴퓨터 수치 제어 기술을 적용한 최초의 산업으로, 국가 경제의 다양한 산업에 첨단 장비를 공급하는 역할을 담당합니다. 주요 응용 분야는 현대 군사 장비용 5축 수직 가공 센터,축 가공 센터, 대규모축 갠트리 밀링, 자동차 산업의 엔진, 기어박스, 크랭크샤프트용 유연한 제조 라인, 고속 가공 센터, 용접, 조립, 도장 로봇, 플레이트 레이저 용접기 및 레이저 절단기, 항공, 해양 및 발전 산업의 프로펠러, 엔진, 발전기 및 터빈 블레이드 부품을 가공하기 위한 고속좌표 가공 센터, 중장비 선삭 및 밀링 복합 가공 센터입니다.
정보산업
정보산업에서 컴퓨터부터 네트워크, 이동통신, 원격측정, 원격제어 등의 장비에 이르기까지 초정밀기술과 나노기술을 기반으로 한 제조장비를 도입하는 것이 필요한데, 예를 들면 칩 제조용 와이어 본딩 머신, 웨이퍼 리소그래피 머신 등이 있다. 이러한 장비의 제어는 Computerized Numerical Control 기술을 사용해야 한다.
의료기기 산업
의료 산업에서는 많은 현대 의료 진단 및 치료 장비가 수치 제어 기술을 채택하고 있습니다. 예를 들어 CT 진단 기기, 전신 치료기, 시각 안내를 기반으로 한 최소 침습 수술 로봇, 치과 교정 및 치과 보철이 필요합니다.
군용 장비
현대 군사 장비의 상당수는 서보 모션 제어 기술을 사용합니다. 예를 들어, 포병의 자동 조준 제어, 레이더의 추적 제어, 미사일의 자동 추적 제어 등이 있습니다.
기타 산업
경공업에는 다축 서보 제어를 사용하는 인쇄 기계, 섬유 기계, 포장 기계 및 목공 기계가 있습니다. 건축 자재 산업에는 석재 가공을 위한 컴퓨터 수치 제어 워터젯 절단기, 유리 가공을 위한 컴퓨터 수치 제어 유리 조각 기계, 시몬스 가공에 사용되는 컴퓨터 수치 제어 재봉틀 및 의류 가공에 사용되는 컴퓨터 수치 제어 자수 기계가 있습니다. 예술 산업에서는 고성능 5축 CNC 기계를 사용하여 점점 더 많은 공예품과 예술 작품이 생산될 것입니다.
수치제어기술의 응용은 전통적인 제조업에 혁명적 변화를 가져올 뿐만 아니라, 제조업을 산업화의 상징으로 만들었습니다. 수치제어기술의 지속적인 발전과 응용분야의 확대에 따라 국가경제와 국민생활(예: IT 및 자동차), 경공업, 의료 등에서 점점 더 중요한 역할을 하게 되었습니다. 이는 이러한 산업에 필요한 장비의 디지털화가 현대 제조업의 주요 추세가 되었기 때문입니다.
트렌드
고속/고정밀
고속, 정밀은 공작기계 개발의 영원한 목표입니다. 과학 기술의 급속한 발전으로 전기 기계 제품의 교체 속도가 가속화되고 부품 가공의 정밀도와 표면 품질에 대한 요구 사항도 점점 더 높아지고 있습니다. 이 복잡하고 변화하는 시장의 요구를 충족하기 위해 현재 공작기계는 고속 절삭, 건식 절삭 및 준건식 절삭 방향으로 발전하고 있으며 가공 정확도는 끊임없이 향상되고 있습니다. 또한 선형 모터, 전기 스핀들, 세라믹 볼 베어링, 고속 볼 스크류 및 너트, 선형 가이드 레일 및 기타 기능 구성 요소의 적용도 고속 및 정밀 공작기계 개발을 위한 조건을 만들었습니다. 컴퓨터 수치 제어 공작기계는 벨트, 풀리 및 기어와 같은 링크를 제거하는 전기 스핀들을 채택하여 주 구동의 관성 모멘트를 크게 줄이고 스핀들의 동적 응답 속도와 작업 정확도를 향상시키고 스핀들이 고속으로 작동할 때의 진동 및 소음 문제를 완전히 해결합니다. 전기 스핀들 구조를 사용하면 스핀들 속도가 10000r/min 이상에 도달할 수 있습니다. 선형 모터는 구동 속도가 빠르고 가속 및 감속 특성이 좋으며 응답 특성과 추종 정확도가 뛰어납니다. 서보 드라이브로 선형 모터를 사용하면 볼 스크류의 중간 전달 링크가 제거되고 전달 간격(백래시 포함)이 제거되며 모션 관성이 작고 시스템 강성이 좋으며 고속에서 정밀하게 위치 지정할 수 있어 서보 정확도가 크게 향상됩니다. 모든 방향에서 클리어런스가 없고 롤링 마찰이 매우 작기 때문에 선형 롤링 가이드 쌍은 마모가 적고 발열이 무시할 수 있으며 열 안정성이 매우 우수하여 전체 프로세스의 위치 정확도와 반복성이 향상됩니다. 선형 모터와 선형 롤링 가이드 쌍을 적용하여 기계의 빠른 이동 속도를 원래 10-20m/min에서 60-80m/min 또는 그 이상 120m/ 분
높은 신뢰성
신뢰성은 컴퓨터 수치 제어 공작 기계의 품질을 나타내는 핵심 지표입니다. 기계가 고성능, 고정밀성, 고효율성을 발휘하고 좋은 이점을 얻을 수 있는지 여부는 신뢰성에 달려 있습니다.
CAD를 통한 CNC 기계 설계, 모듈화를 통한 구조 설계
컴퓨터 응용 프로그램의 대중화와 소프트웨어 기술의 발전으로 CAD 기술이 널리 개발되었습니다. CAD는 수작업으로 지루한 도면 작업을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 더 중요한 것은 대규모 완전 기계의 설계 방안 선택 및 정적 및 동적 특성 분석, 계산, 예측 및 최적화 설계를 수행할 수 있으며 전체 장비의 각 작업 부분에 대한 동적 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 모듈성을 기반으로 설계 단계에서 제품의 3차원 기하 모델과 사실적인 색상을 볼 수 있습니다. CAD를 사용하면 작업 효율성을 크게 향상시키고 설계의 일회성 성공률을 높여 시제품 생산 주기를 단축하고 설계 비용을 절감하며 시장 경쟁력을 향상시킬 수도 있습니다. 공작 기계 구성 요소의 모듈식 설계는 반복적인 노동을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 시장에 신속하게 대응하고 제품 개발 및 설계 주기를 단축할 수 있습니다.
기능성 복합화
기능적 복합화의 목적은 공작 기계의 생산 효율을 더욱 향상시키고 비가공 보조 시간을 최소화하는 것입니다. 기능의 복합화를 통해 공작 기계의 사용 범위를 확장하고 효율성을 개선할 수 있으며, 한 기계의 다목적 및 다기능을 실현할 수 있습니다. 즉, CNC 기계는 선삭 기능과 밀링 공정을 모두 실현할 수 있습니다. 공작 기계에서도 연삭이 가능합니다. 컴퓨터 수치 제어 선삭 및 밀링 복합 센터는 X, Z 축, C 및 Y 축과 동시에 작동합니다. C 축과 Y 축을 통해 오프셋 구멍과 홈의 평면 밀링 및 가공을 실현할 수 있습니다. 이 기계에는 강력한 도구 받침대와 서브 스핀들도 장착되어 있습니다. 서브 스핀들은 내장형 전기 스핀들 구조를 채택하고 있으며, 수치 제어 시스템을 통해 메인 및 서브 스핀들의 속도 동기화를 직접 실현할 수 있습니다. 공작 기계 작업물은 모든 가공을 하나의 클램핑으로 완료할 수 있어 효율성이 크게 향상됩니다.
지능적이고, 네트워크화되고, 유연하고 통합됨
21세기의 CNC 장비는 일정한 지능을 갖춘 시스템이 될 것입니다. 지능의 내용은 수치 제어 시스템의 모든 측면을 포함합니다. 가공 효율과 가공 품질에서 지능을 추구하기 위해 가공 공정의 적응 제어, 공정 매개변수 자동 생성과 같은; 구동 성능을 개선하고 지능을 연결하여 사용하기 위해, 피드포워드 제어, 모터 매개변수의 자체 적응 작동, 부하 자동 식별, 자동 모델 선택, 자체 튜닝 등과 같은; 간소화된 프로그래밍, 간소화된 작동 지능, 지능형 자동 프로그래밍, 지능형 인터페이스, 지능형 진단, 지능형 모니터링 및 기타 측면은 시스템의 진단 및 유지 관리를 용이하게 합니다. 네트워크화된 수치 제어 장비는 최근 몇 년 동안 공작 기계 개발의 핫스팟입니다. CNC 장비의 네트워킹은 정보 통합에 대한 생산 라인, 제조 시스템 및 제조 기업의 요구를 크게 충족시킬 것이며 민첩한 제조, 가상 기업 및 글로벌 제조와 같은 새로운 제조 모델을 실현하기 위한 기본 단위이기도 합니다. 컴퓨터 수치 제어 기계에서 유연한 자동화 시스템으로의 개발 추세는 다음과 같습니다. 포인트(독립형, 가공 센터 및 복합 가공 센터), 라인(FMC, FMS, FTL, FML)에서 표면(작업장의 독립 제조 섬, FA), 바디(CIMS, 분산 네트워크 통합 제조 시스템)로, 반면에 응용 및 경제 방향에 초점을 맞춥니다. 유연한 자동화 기술은 제조 산업이 역동적인 시장 수요에 적응하고 제품을 신속하게 업데이트하는 주요 수단입니다. 그 초점은 시스템의 신뢰성과 실용성을 전제로 하여 쉬운 네트워킹 및 통합을 목표로 하며 단위 기술의 개발 및 개선을 강화하는 데 주의를 기울이는 것입니다. CNC 독립형 기계는 고정밀, 고속 및 높은 유연성 방향으로 발전하고 있습니다. CNC 기계와 그 구성 요소인 유연한 제조 시스템은 CAD, CAM, CAPP 및 MTS와 쉽게 연결될 수 있으며 정보 통합을 향해 발전할 수 있습니다. 네트워크 시스템은 개방성, 통합 및 지능성 방향으로 발전합니다.
